基于井下定向鉆孔的礦井地質(zhì)異常體探查方法與應(yīng)用

方 俊

基于井下定向鉆孔的礦井地質(zhì)異常體探查方法與應(yīng)用

方 俊

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

地質(zhì)異常體是礦井災(zāi)害發(fā)生的主要隱蔽致災(zāi)因素，井下鉆探工程是進(jìn)行地質(zhì)異常體探查、驗(yàn)證和治理的重要技術(shù)手段。針對(duì)常規(guī)鉆孔探查距離短、精度低，且易存在探查盲區(qū)的不足，介紹了采用井下定向鉆孔進(jìn)行地質(zhì)異常體探查的方案?？偨Y(jié)地質(zhì)異常體空間形態(tài)、巖性和鉆探等識(shí)別特征，給出探查定向鉆孔軌跡布設(shè)原則，得到基于定向鉆孔的地質(zhì)異常點(diǎn)和地質(zhì)異常體空間計(jì)算定位方法，并從鉆孔布設(shè)間距、鉆孔軌跡測(cè)控精度、地層和地質(zhì)異常識(shí)別精度、地質(zhì)異常體發(fā)育規(guī)模等方面分析定向鉆孔探查精度影響因素與解決方法。在焦作趙固二礦和寧東梅花井煤礦開展地質(zhì)異常體探查試驗(yàn)，采用主孔與分支孔結(jié)合實(shí)現(xiàn)巷道條帶煤層穩(wěn)定性探查，探查距離達(dá)到621 m；采用定向鉆孔群實(shí)現(xiàn)工作面充水水源區(qū)域探查，單孔最大出水量為10.2 m3/h，并對(duì)充水水源進(jìn)行了疏放。試驗(yàn)結(jié)果表明，井下定向鉆孔具有探查精度高、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常體精確定位，為礦井災(zāi)害事故防治提供技術(shù)保障。

地質(zhì)異常體；定向鉆孔；空間定位；探查精度

地質(zhì)異常體是引發(fā)礦井安全事故的主要誘因，近80%的礦井重大事故均與地質(zhì)異常體相關(guān)，并往往造成礦井生產(chǎn)建設(shè)工程變更或報(bào)廢[1]。

地質(zhì)異常體探查可從根本上對(duì)導(dǎo)致礦井災(zāi)害發(fā)生的潛在危險(xiǎn)源進(jìn)行超前排查和治理，有效避免災(zāi)害事故的發(fā)生，是礦井安全生產(chǎn)的重要技術(shù)保障。從探查手段上，可分為物探、鉆探與化探，形成了“物探先行、鉆探驗(yàn)證、化探跟進(jìn)”的綜合探查技術(shù)體系[2]。相對(duì)而言，井下鉆探工程最為直接，且可進(jìn)行地質(zhì)異常體治理，其施工方法主要包括常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)、穩(wěn)定組合鉆具受控鉆進(jìn)技術(shù)和隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)3種。

其中常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)利用鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆桿柱帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)破碎煤巖層，是最常用的探查鉆孔施工方法。薛洪來等[3]利用常規(guī)鉆孔對(duì)石門揭煤區(qū)域煤層地質(zhì)情況進(jìn)行了勘查；楊艷濤等[4]進(jìn)行了采空區(qū)鉆探驗(yàn)證分析；郝志勇等[5]分析了鉆桿回轉(zhuǎn)速度、鉆壓等與煤體應(yīng)力的關(guān)系，為沖擊地壓鉆探預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。但由于其軌跡不可控，存在探查精細(xì)度差、探查距離短等不足。

20世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)開發(fā)出了基于穩(wěn)定組合鉆具的定向鉆進(jìn)技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了煤礦井下鉆孔人為控制鉆進(jìn)。石智軍等[6]研制形成了上仰、保直和下斜3種類型穩(wěn)定組合鉆具，主要應(yīng)用于瓦斯抽采，并推廣應(yīng)用于采空區(qū)、充水水源探查等領(lǐng)域，取得了良好試驗(yàn)效果。但是穩(wěn)定組合鉆具僅可控制鉆孔傾角，且需頻繁提鉆更換孔中鉆具組合，適用于精度要求較低的探查定向鉆孔施工，不能滿足精細(xì)探查工程需要。

20世紀(jì)80年代，國(guó)外開始研究基于螺桿鉆具的隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備，最大成孔深度達(dá)到2 151 m，實(shí)現(xiàn)了從“受控鉆進(jìn)”到“幾何導(dǎo)向鉆進(jìn)”的跨越[7-8]。我國(guó)從2005年開始進(jìn)行相關(guān)研究，成功實(shí)現(xiàn)了裝備國(guó)產(chǎn)化，廣泛推廣應(yīng)用于礦井瓦斯抽采與水害防治領(lǐng)域，并先后4次創(chuàng)造了1 881、2 311、2 570、3 353 m的孔深世界紀(jì)錄，目前已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[9-11]。

井下定向鉆孔具有軌跡可精確測(cè)控、目標(biāo)地層鉆遇率高、鉆孔深度長(zhǎng)、可多分支施工等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合煤礦井下定向鉆孔特點(diǎn)和地質(zhì)異常體識(shí)別要求，研究定向鉆孔探查地質(zhì)異常體的原理、定位方法和精度影響因素，并開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)提升礦井災(zāi)害防治能力具有重要理論意義和工程價(jià)值。

1 技術(shù)原理

采用井下定向鉆孔進(jìn)行地質(zhì)異常體探查的技術(shù)原理如圖1所示，利用定向鉆孔主孔施工技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離超前探查，確定地質(zhì)異常體，利用側(cè)鉆分支技術(shù)施工多個(gè)角度的分支鉆孔進(jìn)行區(qū)域覆蓋，采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)精確測(cè)控鉆孔和地質(zhì)異常體空間位置，利用鉆探特征和巖性特征進(jìn)行地質(zhì)異常體識(shí)別，結(jié)合地質(zhì)異常體識(shí)別和軌跡測(cè)量，建立地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常體精確定位，并利用探查定向鉆孔進(jìn)行治理[12]。

圖1 定向鉆孔探查煤礦地質(zhì)異常體原理

2 地質(zhì)異常體識(shí)別特征及探查鉆孔布設(shè)

2.1 常見地質(zhì)異常體及其識(shí)別特征

斷層、陷落柱、煤層穩(wěn)定性、采空區(qū)、充水水源等為礦井常見的地質(zhì)異常體[13-15]。各地質(zhì)異常體的內(nèi)涵、形成機(jī)理和致災(zāi)特點(diǎn)不同，均具有顯著的空間形態(tài)特征、巖性特征和鉆探特征，可作為定向鉆孔探查要點(diǎn)和探查識(shí)別判據(jù)，具體識(shí)別特征見表1[16-19]：

2.2 探查定向鉆孔布設(shè)

根據(jù)不同類型地質(zhì)異常體特點(diǎn)，進(jìn)行探查定向鉆孔空間軌跡設(shè)計(jì)。

1) 斷層

斷層平面上呈“線”狀特性，應(yīng)盡量垂直斷層探查延伸范圍；當(dāng)確定斷層存在及其空間位置后，可施工平面分支孔查明延伸范圍，施工垂直分支孔查明斷距。

2) 陷落柱

陷落柱的典型特征是使地層局部出現(xiàn)缺失，并被其他地層所替代，應(yīng)結(jié)合其“點(diǎn)”狀特性，以鉆孔與陷落柱的交點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行探查。鉆孔間距合適，避免漏掉小型陷落柱。

3) 煤層穩(wěn)定性

利用定向鉆孔探查煤層厚度、產(chǎn)狀等穩(wěn)定性參數(shù)時(shí)，以側(cè)鉆開分支技術(shù)為依托，采用主動(dòng)探查頂板、底板的方法，獲得煤層起伏情況；將煤層頂板和底板探查數(shù)據(jù)結(jié)合，即可計(jì)算出煤層厚度。

表1 地質(zhì)異常體識(shí)別特征[16-19]

4) 采空區(qū)

采空區(qū)的空間尺度相對(duì)較大，平面上多呈長(zhǎng)條狀分布，呈“面”狀特性，探查定向鉆孔首先應(yīng)覆蓋一定的平面范圍，并在垂向上具有一定的探查高度差。同時(shí)可適當(dāng)預(yù)留分支點(diǎn)，以對(duì)采空區(qū)內(nèi)可能存在的積水進(jìn)行疏放。

5) 充水水源

充水水源多分布于特定的層位和導(dǎo)水構(gòu)造中，具有相對(duì)“聚集”的特點(diǎn)，應(yīng)盡可能使主孔在預(yù)定目標(biāo)層位內(nèi)延伸，同時(shí)設(shè)計(jì)上仰分支孔，使探查孔覆蓋一定厚度的空間范圍。

3 地質(zhì)異常體空間定位

探查定向鉆孔施工過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量其空間軌跡參數(shù)，并根據(jù)地質(zhì)異常體識(shí)別特征判斷鉆進(jìn)地質(zhì)異常點(diǎn)和地質(zhì)異常體類型，由定向鉆孔軌跡參數(shù)獲取各地質(zhì)異常點(diǎn)的空間坐標(biāo)后，計(jì)算出地質(zhì)異常體的準(zhǔn)確空間參數(shù)。

3.1 井下定向鉆孔軌跡參數(shù)測(cè)量與計(jì)算

1) 井下定向鉆孔軌跡參數(shù)測(cè)量

井下探查定向鉆孔的空間軌跡參數(shù)均可由孔深、傾角和方位角等3個(gè)基本參數(shù)計(jì)算得到，其中孔深采用鉆桿累加的方法獲得，傾角和方位角由礦用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量。

2) 井下定向鉆孔軌跡參數(shù)計(jì)算

與礦井空間坐標(biāo)系不同，煤礦井下建立了定向鉆孔描述專用的相對(duì)坐標(biāo)系，即：以開孔點(diǎn)為原點(diǎn)，軸正方向?yàn)殂@孔主設(shè)計(jì)方位線延伸方向，軸水平順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為軸正方向，軸正方向?yàn)樨Q直向上。

利用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)獲取的基礎(chǔ)參數(shù)，采用均角全距法進(jìn)行鉆孔軌跡計(jì)算[20-21]，其公式為：

式中：X、Y、Z分別為第個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平位移、左右位移和上下位移，m；θ、θ－1分別為第、–1個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角，(°)；α、α－1分別為第、–1個(gè)測(cè)點(diǎn)的方位角，為磁方位，(°)；為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角，為磁方位，(°)；ΔL為第段鉆孔長(zhǎng)度，即測(cè)量間距，m。

3.2 地質(zhì)異常點(diǎn)空間坐標(biāo)計(jì)算

由于井下定向鉆孔描述采用專用相對(duì)坐標(biāo)系，而礦井平面圖和工程設(shè)計(jì)均采用高斯平面坐標(biāo)系，因此，需要將鉆孔測(cè)點(diǎn)和地質(zhì)異常點(diǎn)在相對(duì)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為礦井空間坐標(biāo)系值，如圖2所示。

圖2 礦井空間坐標(biāo)系與井下定向鉆孔相對(duì)坐標(biāo)系

從采掘工程平面圖中獲得開孔點(diǎn)高程0；利用式(2)，可將探查定向鉆孔不同測(cè)點(diǎn)和地質(zhì)異常點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值中的上下位移轉(zhuǎn)換為高程。

式中：D為定向鉆孔第個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程，m；0為開孔點(diǎn)高程，m；H為第個(gè)測(cè)點(diǎn)的上下位移，m。

高斯平面坐標(biāo)系中中央子午線為真北方向線，而相對(duì)坐標(biāo)系中的鉆孔主設(shè)計(jì)方位和測(cè)量得到的鉆孔方位角均為磁方位，真北方向線和磁北方向線之間存在一個(gè)夾角，即磁偏角。鉆孔相對(duì)坐標(biāo)與礦井平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要將磁方位校正換算成真方位角，兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系見下式：

式中：t為以真北方向?yàn)檎狈较虻你@孔方位角，(°)；m為以磁北方向?yàn)檎狈较虻你@孔方位角，(°)；為磁偏角，東磁偏角為正值，西磁偏角為負(fù)值，(°)。

根據(jù)鉆孔相對(duì)坐標(biāo)系的主設(shè)計(jì)方位選擇方法可知，礦井高斯平面坐標(biāo)系與鉆孔相對(duì)坐標(biāo)系的夾角(圖3)為：

式中：β為礦井高斯平面坐標(biāo)系與鉆孔相對(duì)坐標(biāo)系的夾角，(°)。

根據(jù)歐拉定理，礦井高斯平面坐標(biāo)系與鉆孔相對(duì)坐標(biāo)系相當(dāng)于進(jìn)行了一次旋轉(zhuǎn)和一次平移，礦井高斯平面坐標(biāo)值與相對(duì)坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下式。

式中：n為東偏值，m；n為北偏值，m；0為開孔點(diǎn)東偏值，m；0為開孔點(diǎn)北偏值，m。

從采掘工程平面圖中獲得開孔點(diǎn)東偏值0、北偏值0，利用探查定向鉆孔相對(duì)坐標(biāo)系和平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式(5)，將鉆孔測(cè)點(diǎn)和地質(zhì)異常體的相對(duì)坐標(biāo)值，即水平位移和左右位移，轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)值，即東偏值和北偏值，之后即可在礦井平面圖上進(jìn)行繪制和顯示。

3.3 地質(zhì)異常體空間參數(shù)獲取

1) 斷層

根據(jù)探查定向鉆孔軌跡和鉆遇地質(zhì)異常點(diǎn)空間數(shù)據(jù)，繪制斷層和探查定向鉆孔剖面圖，如圖4所示，其中、是定向鉆孔與斷層線的交點(diǎn)，、、、是定向鉆孔與煤層底板的交點(diǎn)，即、、、、、的空間坐標(biāo)已知。

圖4 定向鉆孔探查斷層原理

將斷層線、斷層附近煤層底板簡(jiǎn)化為直線，上盤底板與斷層交點(diǎn)為，下盤底板與斷層交點(diǎn)為，則斷層落差為兩盤底板與斷層面交點(diǎn)、的高程差值，斷層平錯(cuò)為上下兩盤底板與斷層面交點(diǎn)、的平面坐標(biāo)差值。過點(diǎn)向直線作垂線，相交于點(diǎn)，線段長(zhǎng)度即為地層斷距。

直線、、的公式見式(6)，即：

將、、、、、的空間坐標(biāo)代入式(6)，可得1、2、3、1、2、3的具體數(shù)值。根據(jù)3條直線的方程，可計(jì)算出、兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

當(dāng)3=0時(shí)，則點(diǎn)的坐標(biāo)為式(7)。

式中：X為點(diǎn)的水平位移，m；Z為點(diǎn)的上下位移，m；X為點(diǎn)的水平位移，m；Z為點(diǎn)的上下位移，m。

當(dāng)3≠0時(shí)，則直線的公式為式(8)。

將點(diǎn)的空間坐標(biāo)代入式(6)，可得4的具體數(shù)值。根據(jù)直線和直線的方程，可計(jì)算出點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

則斷層的空間參數(shù)如式(9)所示。

式中：1為斷層落差，m；2為斷層平錯(cuò)，m；3為斷層斷距，m；X、Z、X、Z、X、Z分別為、和點(diǎn)的水平位移和上下位移，m。

2) 煤層穩(wěn)定性

煤層穩(wěn)定性主要探查煤層傾角和厚度。煤層傾角是指煤層與水平面的夾角。采用定向鉆孔進(jìn)行探查時(shí)，通過多個(gè)頂板探查分支孔和底板探查分支孔施工，可以得到多個(gè)見頂點(diǎn)和見底點(diǎn)的高程坐標(biāo)，如圖5所示，依次連接各見頂點(diǎn)和見底點(diǎn)，形成頂板折線和底板折線。

圖5 定向鉆孔探查煤層傾角原理

將探查定向鉆孔查明的見頂點(diǎn)空間參數(shù)代入下式，即可獲得鉆孔延伸方向上的煤層視傾角。

如圖5所示，采用內(nèi)插法可以獲得任意水平位移的頂板、底板高程計(jì)算公式(11)，即頂板、底板高程折線方程：

式中：rni為第段頂板折線上任意水平位移的頂板高程，m；fni為第段底板折線上任意水平位移的高程，m；fn為第個(gè)見底點(diǎn)的高程，m；f(n－1)為第–1個(gè)見底點(diǎn)的水平位移，m；fn為第個(gè)見底點(diǎn)的水平位移，m；f(n－1)為第–1個(gè)見底點(diǎn)的水平位移，m；fni為第段底板折線上任意一點(diǎn)的水平位移，m；rni為第段頂板折線上任意一點(diǎn)的水平位移，m。

將同一位置頂板高程與底板高程相減即可得到煤層厚度，即：

式中：hi為第段鉆孔處任意水平位移處的煤層厚度，m。

根據(jù)多個(gè)探查定向鉆孔獲得的煤層厚度參數(shù)，可以得到煤層厚度在平面上區(qū)域變化情況，并繪制出煤層厚度等值線圖和厚度云圖。

3) 陷落柱

陷落柱一般呈橢圓形或圓形，根據(jù)幾何學(xué)可知，橢圓的一般方程為：

式中：、、、、為常數(shù)。

采用定向鉆孔探查陷落柱時(shí)，可以施工5個(gè)分支孔查明陷落柱邊界上5個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖6所示。

圖6 定向鉆孔探查陷落柱原理

將5個(gè)探查點(diǎn)的平面坐標(biāo)值代入式(13)，即可得到陷落柱的方程。然后根據(jù)式(14)即可求得陷落柱的幾何中心，根據(jù)式(15)可求得陷落柱長(zhǎng)軸傾角，根據(jù)式(16)可求得長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度。

式中：C、C分別為陷落柱幾何中心的東偏值和北偏值，m；為陷落柱的長(zhǎng)軸傾角，(°)；、分別為陷落柱的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度，m。

得到陷落柱平面參數(shù)后，可在當(dāng)前探查定向孔內(nèi)施工分支孔，或從不同方向施工其他探查定向孔，對(duì)陷落柱邊界進(jìn)行驗(yàn)證。

4) 采空區(qū)

煤層開采工作面一般呈長(zhǎng)方體排列，因此，采空區(qū)一般也呈長(zhǎng)方體存在，其邊界范圍可采用分支孔進(jìn)行探查，主要包括垂向分支孔、橫向分支孔和軸向分支孔。對(duì)于特殊形狀的采空區(qū)，可以直接將各地質(zhì)異常點(diǎn)連接起來，即形成采空區(qū)邊界。

采空區(qū)高度可根據(jù)垂向分支孔得到，等于最上方與最下方垂向分支孔貫通點(diǎn)的上下位移差值，見式(17)。

式中：為采空區(qū)高度，m；up、down分別為最上方與最下方垂向分支孔貫通點(diǎn)的上下位移值，m。

采空區(qū)的平面參數(shù)可根據(jù)5個(gè)邊界點(diǎn)確定，其中2個(gè)位于采空區(qū)邊界線的同一條線上，如圖7所示。

圖7 定向鉆孔探查采空區(qū)原理

以點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將各點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行歸零處理，見式(18)。

圍繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度，使采空區(qū)矩形平面與原坐標(biāo)軸平行，根據(jù)歐拉定理，旋轉(zhuǎn)后的各探查點(diǎn)坐標(biāo)值見式(19)。

則采空區(qū)長(zhǎng)度與寬度見式(20)：

5) 充水水源

充水水源一般賦存在含水地層、地質(zhì)構(gòu)造或開采導(dǎo)致的空區(qū)或裂隙中。當(dāng)探查地質(zhì)構(gòu)造、老空區(qū)內(nèi)的充水水源時(shí)，其賦存空間參數(shù)與地質(zhì)構(gòu)造和老空區(qū)探查方法類似；當(dāng)探查含水地層中的充水水源時(shí)，可根據(jù)探查定向鉆孔出水點(diǎn)信息，將出水點(diǎn)繪制在礦井采掘平面圖上，采用圓滑曲線依次連接最外側(cè)出水點(diǎn)，即可得到出水區(qū)域范圍平面圖。充水源探查原理如圖8所示。

圖8 定向鉆孔探查充水水源范圍原理

4 定向鉆孔探查精度影響因素分析

采用井下定向鉆孔對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行探查時(shí)，地質(zhì)異常體空間參數(shù)的探查精度主要受鉆孔布設(shè)間距、鉆孔軌跡測(cè)控精度、地層和地質(zhì)異常識(shí)別精度、地質(zhì)異常體發(fā)育規(guī)模等影響。

4.1 鉆孔布設(shè)間距

采用定向鉆孔進(jìn)行探查時(shí)，雖然可以直接揭露隱蔽致災(zāi)因素，但是鉆孔影響區(qū)域較小。為全面得到隱蔽致災(zāi)因素的空間參數(shù)，可從以下三方面提高探查精細(xì)度：① 結(jié)合礦井生產(chǎn)資料、前期物探數(shù)據(jù)和礦方探查精細(xì)度要求，進(jìn)行探查定向鉆孔的空間姿態(tài)設(shè)計(jì)，既可提高探查準(zhǔn)確性，又可降低工程成本；② 利用分支孔施工技術(shù)，從不同方向?qū)﹄[蔽致災(zāi)因素進(jìn)行全空間探查，減少探查鉆孔數(shù)量，提高探查效率，降低探查成本；③ 利用礦井瓦斯抽采、水害防治等生產(chǎn)鉆孔施工數(shù)據(jù)，對(duì)隱蔽致災(zāi)因素進(jìn)行精細(xì)探查和確認(rèn)。

4.2 鉆孔軌跡測(cè)控精度

隱蔽致災(zāi)因素的空間參數(shù)根據(jù)探查鉆孔的軌跡確定，其探查精度受鉆孔軌跡的測(cè)控精度影響。鉆孔軌跡的測(cè)控精度又可分為計(jì)算精度、測(cè)量精度和軌跡控制精度3方面[22-23]。

其中鉆孔軌跡的計(jì)算精度主要受測(cè)量間距、測(cè)量深度基準(zhǔn)選取等影響，可縮短測(cè)量間隔提高測(cè)量精度，測(cè)量深度宜以探管安裝位置為基準(zhǔn)。

鉆孔軌跡的測(cè)量精度包括參數(shù)的檢測(cè)精度和傳輸穩(wěn)定性兩方面，應(yīng)盡量采用高精度隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，提高鉆孔軌跡參數(shù)的測(cè)量精度，同時(shí)應(yīng)滿足參數(shù)遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸需要。

鉆孔軌跡的控制精度與鉆孔軌跡預(yù)測(cè)、控制技術(shù)有關(guān)，應(yīng)根據(jù)鉆孔軌跡控制需要，設(shè)定實(shí)鉆軌跡的最大允許偏差，然后結(jié)合定向鉆具造斜能力，提前對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，考慮鉆進(jìn)反扭矩作用，在鉆孔軌跡偏斜量達(dá)到閾值之前，選擇合適的造斜點(diǎn)，對(duì)鉆孔的傾角、方位角進(jìn)行調(diào)整，確保定向鉆孔軌跡精確控制。

4.3 地層和地質(zhì)異常識(shí)別精度

隱蔽致災(zāi)因素具有顯著的巖性特征，探查過程中，目前主要根據(jù)現(xiàn)有的鉆探特征，結(jié)合孔口返渣、鉆進(jìn)參數(shù)變化、鉆進(jìn)過程中的瓦斯噴孔異常、突水異常和卡埋鉆事故異常等進(jìn)行地層識(shí)別，可根據(jù)含煤地層地球物理特征，開發(fā)隨鉆地層識(shí)別技術(shù)，提高地層和地質(zhì)異常體的識(shí)別精度。

4.4 地質(zhì)異常體發(fā)育規(guī)模

地質(zhì)異常體的發(fā)育規(guī)模越大，其探查特征越明晰，探查定向鉆孔對(duì)其識(shí)別越準(zhǔn)確。小規(guī)模的地質(zhì)異常體需要提高探查定向鉆孔的施工密度，會(huì)增加探查定向鉆孔的工程成本。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5.1 趙固二礦煤層穩(wěn)定性探查

在焦作趙固二礦11061工作面進(jìn)行了煤層穩(wěn)定性探查試驗(yàn)，為掘進(jìn)巷道設(shè)計(jì)提供依據(jù)。礦井煤層厚度6 m，共完成1個(gè)孔深621 m的探查定向鉆孔，并施工頂板探查分支孔5個(gè)、底板探查分支孔7個(gè)，鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面如圖9所示，鉆孔軌跡參數(shù)、探查得到的頂板和底板數(shù)據(jù)見表2。

圖9 趙固二礦煤層穩(wěn)定性探查定向鉆孔實(shí)鉆軌跡

5.2 梅花井煤礦充水水源探查

寧東鴛鴦湖礦區(qū)梅花井煤礦114202工作面內(nèi)發(fā)育有M502向斜，其軸部及兩翼賦水性相對(duì)較強(qiáng)，煤巖層裂隙較為發(fā)育，極易造成地下水匯聚，形成富水區(qū)；后期頂板采動(dòng)裂隙成為工作面充水的主要通道，嚴(yán)重影響工作面回采安全。

表2 趙固二礦探查定向鉆孔軌跡參數(shù)和頂?shù)装逄讲閿?shù)據(jù)

利用定向鉆孔對(duì)工作面M502向斜軸兩翼范圍內(nèi)2號(hào)煤和4號(hào)煤之間的砂巖裂隙孔隙層間承壓含水層的充水水源進(jìn)行超前探查，若存在含水體，則利用探查定向鉆孔進(jìn)行疏放。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共完成5個(gè)主孔和2個(gè)分支孔，累計(jì)進(jìn)尺2 799 m，最大鉆孔深度615 m，鉆孔實(shí)鉆軌跡和出水情況如圖10所示，單點(diǎn)最大出水量為5 m3/h，單孔最大出水量為10.2 m3/h。

圖10 梅花井煤礦充水水源探查定向鉆孔實(shí)鉆軌跡和出水情況

探查結(jié)果表明工作面內(nèi)M502向斜軸西翼頂板含水層內(nèi)幾乎不含水，東翼靠近114202綜采工作面機(jī)巷的頂板含水層弱含水，其他區(qū)域幾乎不含水，整體上M502向斜軸兩翼含水量均較小。利用探查定向鉆孔對(duì)M502向斜軸東翼頂板充水水源進(jìn)行了疏放，之后順利完成工作面回采，回采過程中，未發(fā)生頂板突水現(xiàn)象。

5.3 推廣應(yīng)用情況

基于井下定向鉆孔的地質(zhì)異常體探查方法已在國(guó)內(nèi)多個(gè)煤礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用，如在寺河煤礦、孟村煤礦進(jìn)行了斷層探查，在汝箕溝煤礦、白芨溝煤礦進(jìn)行了采空區(qū)探查，在大陽煤礦、杜兒坪煤礦進(jìn)行了陷落柱探查，在趙固一礦、紅柳煤礦開展了充水水源探查，在榆家梁煤礦開展了煤層穩(wěn)定性探查與透明工作面構(gòu)建，與傳統(tǒng)探查方法相比，采用井下定向鉆孔探查的精度高、距離遠(yuǎn)、周期短，并可進(jìn)行隱蔽致災(zāi)因素治理，取得了顯著應(yīng)用效果。

6 結(jié)論

a. 介紹了基于煤礦井下定向鉆孔的礦井地質(zhì)異常體探查方法，采用主孔遠(yuǎn)距離超前探查確定地質(zhì)異常體存在性，利用側(cè)鉆分支技術(shù)施工多個(gè)角度的分支鉆孔進(jìn)行立體化區(qū)域覆蓋，結(jié)合地層識(shí)別和軌跡測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)異常體精確定位，趙固二礦和梅花井煤礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性，為礦井災(zāi)害事故防治提供了新手段。

b. 選擇斷層、陷落柱、煤層穩(wěn)定性、采空區(qū)、充水水源等作為探查對(duì)象，分析了其空間形態(tài)特征、巖性特征和鉆探特征，建立了定向鉆孔探查識(shí)別判據(jù)，并根據(jù)各地質(zhì)異常體識(shí)別特征，制定了相應(yīng)的探查定向鉆孔布設(shè)方案。

c. 利用鉆孔軌跡參數(shù)，推導(dǎo)得到各地質(zhì)異常點(diǎn)的空間坐標(biāo)；根據(jù)隱蔽致災(zāi)因素的空間形態(tài)特征和地質(zhì)異常點(diǎn)坐標(biāo)，推導(dǎo)得到了斷層、陷落柱、煤層穩(wěn)定性、采空區(qū)、充水水源空間參數(shù)計(jì)算方法。

d. 分析了影響地質(zhì)異常體探查精度的主要影響因素，可采用與物探技術(shù)結(jié)合、施工分支孔探查和利用生產(chǎn)鉆孔數(shù)據(jù)等，提高探查精細(xì)度；采用縮短測(cè)量間隔、優(yōu)選高精度隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、軌跡預(yù)測(cè)與超前控制等，提高探查的精度；可繼續(xù)研究地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、定向鉆密閉取樣技術(shù)和孔中物探技術(shù)，以提高地層探查識(shí)別距離和精度，實(shí)現(xiàn)精確地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)和地質(zhì)異常體定位。

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Exploration method of underground geological anomaly and its application based on directional drilling

FANG Jun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The geological anomaly is the main hidden cause of mine disasters, and underground drilling engineering is an important technical means for exploration, verification and control of geological anomaly. In view of the shortcomings such as short distance, low accuracy and blind area of conventional drilling exploration, the exploration scheme of geological anomaly by underground directional drilling was introduced, and the identification characteristics such as spatial form, lithology and drilling were summarized. The trajectory layout principle of directional borehole was given, and the spatial calculation and positioning method of geological anomaly based on directional borehole was obtained. In addition, the influencing factors and solutions for the exploration precision of directional borehole were analyzed from four aspects: borehole layout spacing, borehole trajectory measurement and control accuracy, stratum and geological anomaly recognition accuracy, and geological anomaly development scale. The tests were carried out in Zhaogu No.2 Coal Mine and Meihuajing Coal Mine, coal seam stability of roadway strip is explored by main hole and branch hole with the exploration distance over 621 m. Water filling source in working face is explored by directional drilling group, with maximum water yield of single hole of 10.2 m3/h, then the water is discharged. The tests results show that the underground directional drilling has realized the accurate positioning of geological anomaly with the advantages of high exploration accuracy, long distance and short cycle, which provides technical support for disaster and accident prevention.

geological anomaly; directional drilling; space location; exploration accuracy

TD712

A

1001-1986(2021)04-0269-09

2021-04-19；

2021-05-25

國(guó)家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-003-001)；2014年陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2014KTCL03-14)

方俊，1985年生，男，湖北谷城人，博士，副研究員，從事煤礦區(qū)鉆探技術(shù)與儀器研究與推廣應(yīng)用工作. E-mail：fangjun@cctegxian.com

方俊. 基于井下定向鉆孔的礦井地質(zhì)異常體探查方法與應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：269–277. doi: 10. 3969/j.issn.1001-1986.2021.04.032

FANG Jun. Exploration method of underground geological anomaly and its application based on directional drilling[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：269–277. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.032

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)